氧化铟锡（ITO）薄膜中应力随厚度变化的研究综述
本期课程:
氧化铟锡(ITO) 薄膜中应力随厚度变化的研究综述
背景
透明导电薄膜在半导体器件中有广泛应用,包括太阳能电池、液晶显示器、发光二极管以及各种传感器等。氧化铟锡(ITO) 凭借其优异的电导率、光学透明性和非线性的特性被广泛用作透明层。溅射法因能生成结构致密且高透射率的薄膜,在沉积ITO薄膜时备受青睐。
在薄膜生长过程中,诱导的应力会影响器件的制造和性能:
– 应力引起的晶圆翘曲会影响器件的平整度及后续生产工艺;
– 薄膜应力可能改变器件的物理特性,从而影响其可靠性。
实验概述
首先,使用KLA Instruments™ 的Filmetrics F50-UVX薄膜厚度测量仪测量了九种不同厚度的ITO薄膜。随后,使用KLA Instruments™的探针式轮廓仪 HRP®-260(台阶仪)测量晶圆翘曲和应力(见图 1)。在晶圆翘曲测量中,系统在每次扫描后自动旋转样品,生成三维(3D)翘曲图,并通过Stoney方程自动计算三维应力图(见图2)。接着,通过原子力显微镜(AFM)评估沉积薄膜的晶粒结构(见图3 和图4)。最后,使用KLA Instruments™的Nano Indenter® G200X纳米压痕仪进行纳米压痕测试以评估ITO薄膜的弹性模量。
图示说明
图1:(a) ITO (14nm)/玻璃的3D翘曲图;
(b) ITO (559nm)/玻璃的3D翘曲图;
(c) ITO厚度从 14到559nm的ITO/玻璃的2D翘曲图;
(d)两次不同时间点测得的翘曲与厚度关系。
图2:不同厚度下ITO/玻璃的3D应力图(a)
dITO=14nm; (b) d₁TO=45nm; (c) d₁TO=180nm; (d) diTo=559nm; (e) ITO薄膜的应力与厚度的关系图。
结果总结
研究表明,随着ITO薄膜厚度的增加,应力类型从拉应力转变为压应力。AFM分析显示ITO薄膜表面呈三维生长模式,沉积过程中晶粒结构由等轴晶向柱状晶转变。
进一步分析发现,拉应力来源于新形成的等轴晶粒的碰撞与聚合。随着薄膜厚度增加,等轴晶粒数量减少,压应力逐渐占主导。压应力则归因于柱状晶粒边界中多余物质的掺入。
